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新型换流变压器及其滤波系统的理论与应用研究

许加柱  
【摘要】: 为了实现对发明专利和实用新型专利:“自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器”的产业化,湖南省以“十五”“十一五”重大科技专项05GK1002-1,06GK1003-1予以支持。本文以该重大专项为背景,围绕着建立起此项专利在直流输电领域应用的新型换流变压器及其滤波系统(简称新系统)的理论分析体系开展了如下几个方面的研究工作: 结合我国未来二十年“西电东送,南北互供,全国联网,电力市场”的电力工业发展方针,阐述了我国高压及特高压直流输电技术的应用发展现状,指出我国发展特高压直流输电是必须的和可行的。但是,传统高压直流输电中谐波抑制和无功补偿方案存在滤波效果不好、增加换流变压器负担等问题。 分析了换流变压器的功能、技术特点及结构型式;建立起传统换流变压器的数学模型;并基于数学模型,分析了上下两组换流变压器阻抗不等对换相电压的影响;分析了在不计及和计及换流变压器换相电抗两种条件下换流变压器的谐波特性;在此基础上,对传统换流变压器的设计容量进行了计算;给出了传统换流变压器及其滤波和无功补偿方案。 分析了新型换流变压器绕组电压之间的相量关系,给出了四种可能结构型式;分析了新系统的自耦补偿功能,并以单相谐波屏蔽变压器以例,分析其谐波抑制的机理;分析了新系统的谐波特性;在此基础上,对其设计容量进行计算;最后,建立了基于新型换流变压器及其滤波系统和传统换流变压器及其滤波系统的两种直流输电系统仿真模型,仿真结果验证了感应滤波的思想。 提出了以多绕组变压器理论为基础,结合磁势平衡方程、基尔霍夫定律、回路电压、电流方程的系统化建模方法,建立了新系统的数学模型;分析了负载电流与绕组电流之间的矩阵变换关系及阀侧端口电压与网侧绕组相电压之间的矩阵变换关系;分析了网侧三相电压不对称对新系统运行特性的影响;对电压损失进行了分析计算;建立了新系统在相坐标下的节点导纳矩阵,为系统统一建模提供方便。 针对新系统的特点,提出了一种换相电抗的三相测量法,并同时采用单相及三相测量法对系统的换相电抗进行计算,与基于数学模型的换相电抗计算结果进行对比,结果表明三者是完全一致的,验证了新系统数学模型的正确性;简要分析了滤波支路基频阻抗对换相电抗的影响。 创造性提出了一种滤波换相换流器(Filter Commutated Converter, FCC)的概念;给出了FCC阀侧无功补偿度(简称补偿度)的定义;分析了补偿度对阀侧线电压损失、换相电抗、阀侧空载线电压、直流侧电压、换相角及功率因数的影响;建立了FCC等效Graetz桥电路模型及其等效直流侧电路模型,为进一步研究FCC提供了理论基础;通过分析逆变器发生换相失败的机理和影响换相失败的因素,分析了FCC逆变器各运行变量对换相失败的影响及运行变量对关断角的灵敏度函数;依据上述分析结果,给出FCC逆变器避免换相失败的预防措施。 综述了传统滤波装置的设计方法,给出了传统单调谐、双调谐及二阶高通滤波器及并联电容器的参数设计步骤;基于谐波屏蔽变压器的谐波抑制机理,提出了基于谐波屏蔽变压器的滤波器的设计方法,给出了此类单调谐、双调谐滤波器参数设计步骤;最后,根据拟建立的新型直流输电系统研究平台设计参数,对平台的滤波和无功补偿装置进行了综合设计,详细给出了滤波器和并联电容器的设计参数。 详细给出了新型直流输电系统研究平台的设计思想,系统的结构框图和各子系统的功能设计;在建设完成的研究平台上,开展如下试验研究:阀侧无功补偿度对换相电抗的影响、阀侧无功补偿度K对阀侧空载线电压的影响、补偿度K为零时各绕组谐波电流分析影响、阀侧无功补偿度对直流侧电压及换相角的影响及传统滤波方式和新型滤波方式滤波效果对比;试验结果进一步验证了新系统良好的运行特性和滤波效果。 新系统充分利用变压器自身的电磁感应原理和无源滤波器的滤波及无功补偿功能,克服了传统换流变压器及其滤波系统存在的不足。新系统良好的运行特性和滤波效果,使其必然具有广阔的工程应用前景。新型直流输电系统研究平台的建立也为进一步推广新系统在地铁供电、化工、冶金等领域的应用提供了中试产品。


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